JP6718622B2 - Gap sensor and gap measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、対向する部材面の間隙、より具体的には面状に分布する間隙を検出する隙間センサおよびその測定方法に関するものである。 The present invention relates to a gap sensor for detecting a gap between opposed member surfaces, more specifically, a gap distributed in a plane, and a measuring method thereof.

船舶、航空機等の組立技術において、外部パネルと内部の部品の組み付けをする場合に相対位置のアライメントが必要になる。たとえば、航空機の主翼は桁とリブからなる骨組みを含んで構成されたボックス構造を有し、その基端部は胴体と結合するための枠構造を有する。胴体には主翼の基端部を受け入れる略筒構造の固定部(ブラケット)が形成され、主翼の基端部が固定部に挿入されて茶筒のごとき構造で結合される。胴体の固定部は2枚の板部材で主翼の基端部を構成する板部材を挟むように構成され、基端部の板部材の両面はそれぞれ固定部の板部材と数mm程度の間隙を介して対向している。なお、各板部材はアルミ合金、カーボンファイバー等の導電性材料である。結合作業においては胴体と主翼が所定の位置関係となるようにアライメント調整したのちに、隙間空間の形状に合わせたスペーサーを挿入して締結する。また、胴体を前胴、中胴、後胴に分割して製造したのちに各胴部分を結合して胴体を構成する場合も同様である。 In the assembly technology of ships, aircrafts, etc., when assembling an external panel and an internal part, relative position alignment is required. For example, the main wing of an aircraft has a box structure including a frame made of girders and ribs, and its base end has a frame structure for connecting to a fuselage. A fixing portion (bracket) having a substantially cylindrical structure that receives the base end portion of the main wing is formed on the body, and the base end portion of the main wing is inserted into the fixing portion and coupled in a structure such as a tea canister. The fixing portion of the fuselage is configured such that the plate member that constitutes the base end portion of the main wing is sandwiched between two plate members, and both sides of the plate member at the base end portion have a gap of about several mm from the plate member of the fixing portion. Are facing through. Each plate member is a conductive material such as aluminum alloy or carbon fiber. In the joining work, alignment adjustment is performed so that the body and the main wing have a predetermined positional relationship, and then a spacer matching the shape of the clearance space is inserted and fastened. The same applies to the case where the body is divided into a front body, a middle body, and a rear body and then manufactured, and then the body parts are joined to form the body.


特許第4832512号公報Japanese Patent No. 4832512 特開2015−79979号公報JP, 2005-79979, A

ところで、アライメント後の主翼基板部の板部材と胴体固定部の板部材とで規定される結合位置における隙間を隙間センサ(feeler gauge,thickness gauge)で多点測定し、隙間空間の形状の3次元データを取得することによりスペーサーの形状が特定される。 By the way, the gap at the joint position defined by the plate member of the main wing substrate part after alignment and the plate member of the fuselage fixing part is measured at multiple points by a gap sensor (feeler gauge, thickness gauge), and the three-dimensional shape of the gap space is measured. The shape of the spacer is specified by acquiring the data.

静電容量センサを用いた電子式隙間センサは通常プローブ部分が長形に構成されその先端側に平面状の検知電極が配置される。プローブの両面に電極が配置される場合には、各電極層の両側をガードパターンで挟む必要があるため全体として6層の導電層が必要となりプローブを薄くすることには限界があった。近年、船舶、航空機、自動車等の板材のプレス金型加工において、ダイとパンチの間隙(クリアランス)を調整する場合等でも隙間の3次元測定が必要となり、より小さい隙間の測定が求められている。 In an electronic gap sensor using a capacitance sensor, a probe portion is usually formed in an elongated shape, and a flat detection electrode is arranged on the tip side thereof. When the electrodes are arranged on both surfaces of the probe, it is necessary to sandwich both sides of each electrode layer with guard patterns, so that six conductive layers are required as a whole, and there is a limit to making the probe thin. In recent years, in press die processing of plate materials for ships, aircrafts, automobiles, etc., even when adjusting the clearance between a die and a punch, three-dimensional measurement of the clearance is necessary, and measurement of smaller clearance is required. ..

また、主翼と胴体が結合された状態となって車輪の取付が可能となるため、車輪による移動を可能とするためには隙間測定を迅速かつ正確に実施する必要があった。また、船舶、航空機、自動車等の板材のプレス金型加工において、ダイとパンチの間隙(クリアランス)を調整する場合等でも隙間空間の3次元測定が必要となるため、同様の課題があった。 Further, since the wheels can be attached with the main wing and the fuselage being coupled, it is necessary to perform the clearance measurement quickly and accurately in order to enable movement by the wheels. Further, in press die processing of plate materials for ships, aircrafts, automobiles, etc., there is a similar problem because three-dimensional measurement of the clearance space is necessary even when adjusting the clearance between the die and the punch.

静電容量センサを用いた電子式隙間センサにおいては、一般的に電極に矩形波等の所定の信号を印加し、電極電圧をバッファーを介してガードパターンをアクティブガードする。すなわち、プローブは図1(a)に例示するように、プローブ信号が印加される検知電極De’と電極の周辺および背面を電極と同電位とするガードパターンG1,G2を備える。電極De’を含む電極パターンE1,E2にはプローブ信号が印加され測定対象の電気容量に応じた電流が検出される。また、検出された電極De’の電位はバッファーを介してガードパターンG1,G2を電極電位でアクティブガードし電極周辺を同一電位とする。アクティブガードは電極と測定対象との間に生じる電界以外の電界を抑制して電気容量測定の精度を上げることができる。 In an electronic gap sensor using a capacitance sensor, generally, a predetermined signal such as a rectangular wave is applied to the electrodes, and the electrode pattern is actively guarded through a buffer. That is, as illustrated in FIG. 1A, the probe includes a detection electrode De′ to which a probe signal is applied and guard patterns G1 and G2 that make the periphery and the back surface of the electrode have the same potential as the electrode. A probe signal is applied to the electrode patterns E1 and E2 including the electrode De', and a current corresponding to the electric capacitance of the measurement target is detected. Further, the detected potential of the electrode De' is actively guarded to the guard patterns G1 and G2 at the electrode potential via the buffer so that the periphery of the electrode is kept at the same potential. The active guard can suppress the electric field other than the electric field generated between the electrode and the measurement target to improve the accuracy of the capacitance measurement.

しかしながら、測定中の電極De’の電位をガードパターンG1またはG2のガード電位とするため、同じガードパターンに囲まれた複数の電極について同時に測定することはできない。これは、各電極信号が異なるため対応するガード信号は電極ごとに異なるからである。 However, since the potential of the electrode De' during measurement is set to the guard potential of the guard pattern G1 or G2, it is not possible to simultaneously measure a plurality of electrodes surrounded by the same guard pattern. This is because each electrode signal is different and the corresponding guard signal is different for each electrode.

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、本発明によれば測定誤差が小さく再現性の高い隙間データを取得する電子式隙間センサおよび隙間測定方法を提供することができる。 The present invention has been made in view of such a problem, and according to the present invention, it is possible to provide an electronic gap sensor and a gap measuring method for obtaining gap data with small measurement error and high reproducibility.

本発明の技術的側面によれば、相互に対向する導電性を有する第1の部材の表面と導電性を有する第2の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間センサは、主軸方向に沿って延在するプローブおよび本体を具備し、前記プローブは基端部が前記本体に接続され先端側に複数の電極が設けられ、前記プローブは第1導電層、第2導電層、第3導電層が積層された多層基板構造を有し、前記第1導電層は前記プローブの第1の面を規定し、第1電極群が配列して形成され、第1電極群と電気的に非接続な第1ガード層が形成され、前記第3導電層は前記プローブの第2の面を規定し、前記第1電極群に相応する位置に第2電極群が配列して形成され、第2電極群と電気的に非接続な第2ガード層が形成され、前記第2導電層は前記第1導電層と第3導電層の間に配置され、前記第1電極群および第2電極群に相応する位置にガード電極が形成され、ガード電極と電気的に非接続な信号ラインパターンが形成され、信号ラインパターンは前記第1電極群および第2電極群の各電極と電気的に接続される。さらに、前記本体の制御部は、前記第1ガード層、ガード電極、および第2ガード層に探査信号を印加し、前記第1電極群および第2電極群の各電極を前記信号ラインパターンを介して前記探査信号で電圧クランプし、電圧クランプによるクランプ電流を検出することにより各電極位置における隙間を測定することを特徴とする。 According to a technical aspect of the present invention, a gap sensor for detecting a gap between a surface of a first member having conductivity and a surface of a second member having conductivity, which face each other, by a capacitance measuring method, A probe extending along the main axis direction and a main body, wherein the probe has a proximal end connected to the main body and a plurality of electrodes provided on the distal end side; and the probe has a first conductive layer, a second conductive layer, The first conductive layer defines a first surface of the probe, a first electrode group is formed in an array, and is electrically connected to the first electrode group. A first guard layer that is not connected to the first conductive layer is formed, the third conductive layer defines a second surface of the probe, and a second electrode group is formed at a position corresponding to the first electrode group. A second guard layer electrically disconnected from the second electrode group is formed, the second conductive layer is disposed between the first conductive layer and the third conductive layer, and the first electrode group and the second electrode are formed. A guard electrode is formed at a position corresponding to the group, and a signal line pattern that is not electrically connected to the guard electrode is formed. The signal line pattern is electrically connected to each electrode of the first electrode group and the second electrode group. To be done. Furthermore, the control unit of the main body applies a search signal to the first guard layer, the guard electrode, and the second guard layer, and connects each electrode of the first electrode group and the second electrode group via the signal line pattern. Voltage is clamped by the search signal and the clamp current by the voltage clamp is detected to measure the gap at each electrode position.

本発明の他の技術的側面によれば、相互に対向する導電性を有する第1の部材の表面と導電性を有する第2の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間測定方法は、プローブの両面の対応する位置に複数の電極対とガード層が形成され、探査信号を発生することと、前記ガード層に前記探査信号を印加することと、前記複数の電極対の各電極をそれぞれ独立に前記探査信号に電圧クランプすることと、前記各電極のクランプ電流を測定することにより各電極位置における静電容量を検出することと、前記静電容量に基づいて前記各電極位置における隙間を測定することとを特徴とする。 According to another technical aspect of the present invention, a gap measurement for detecting a gap between a surface of a conductive first member and a surface of a conductive second member facing each other by a capacitance measuring method. The method includes forming a plurality of electrode pairs and guard layers at corresponding positions on both surfaces of the probe, generating a probe signal, applying the probe signal to the guard layer, and each of the plurality of electrode pairs. The electrodes are independently voltage-clamped to the probe signal, the capacitance at each electrode position is detected by measuring the clamp current of each electrode, and each electrode position is based on the capacitance. And measuring the gap at.

(a)は関連技術にかかる電極部の導電層の概念図、(b)は本発明にかかる電極部の導電層の概念図。(A) is a conceptual diagram of the conductive layer of the electrode part concerning related technology, (b) is a conceptual diagram of the conductive layer of the electrode part concerning this invention. 本実施形態の隙間センサを示す上面図。The top view which shows the clearance gap sensor of this embodiment. 本実施形態のプローブ電極部の断面構造を表す概念図。The conceptual diagram showing the cross-section of the probe electrode part of this embodiment. 制御部コントロール回路の概念図。The conceptual diagram of a control part control circuit. 隙間センサによる隙間測定の原理を示す概念図。The conceptual diagram which shows the principle of gap measurement by a gap sensor. 隙間センサによる隙間測定の概念図。A conceptual diagram of gap measurement by a gap sensor. 他の実施形態にかかるプローブ電極を示す概念図。The conceptual diagram which shows the probe electrode concerning other embodiment. 他の実施形態にかかるセンサ本体の底面図。The bottom view of the sensor body concerning other embodiments.

本発明の好適な実施形態を示す図面を参照して説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図2に本実施形態にかかる隙間センサの上面図を示す。隙間センサ1は隙間を検知する電極が配置されたプローブ2と、プローブ2とプローブ支持部としてのコネクタ20を介して接続される本体21を備える。本体21はプローブ2の検知電極に電圧を印加したり変位電流を測定する制御部10を含む。プローブ2はXY面内で主軸方向(Xc)に延在する長形を成し、対向するワーク等の電導性部材の表面S1,S2の間等に形成された隙間空間Gに挿入して隙間を測定する。また、プローブ2は電極対アレイ4を含む電極部3が設けられたフレキシブルプリント基板5を備える。フレキシブルプリント基板(FPB)5は図1において主軸X方向に延在する長形で三層構造を有し、長円状の電極4と測定対象となる導電材料の表面S1,S2との間に所定の電位を印加して応答電流を測定し、取得された電気容量に基づいて電極位置における隙間が取得される。なお、電極部3を含むプローブ2の表面には磁石で吸引するためのフィラー膜が形成される。 FIG. 2 shows a top view of the gap sensor according to the present embodiment. The gap sensor 1 includes a probe 2 on which an electrode for detecting a gap is arranged, and a main body 21 connected to the probe 2 via a connector 20 as a probe supporting portion. The main body 21 includes a control unit 10 that applies a voltage to the detection electrode of the probe 2 and measures a displacement current. The probe 2 has an elongated shape extending in the main axis direction (Xc) in the XY plane, and is inserted into the gap space G formed between the surfaces S1 and S2 of the electrically conductive members such as the opposing workpieces to form a gap. To measure. The probe 2 also includes a flexible printed circuit board 5 provided with an electrode portion 3 including an electrode pair array 4. The flexible printed board (FPB) 5 has an elongated three-layer structure extending in the direction of the main axis X in FIG. 1, and has a space between the elliptical electrode 4 and the surfaces S1 and S2 of the conductive material to be measured. A response voltage is measured by applying a predetermined potential, and the gap at the electrode position is acquired based on the acquired capacitance. A filler film for attracting with a magnet is formed on the surface of the probe 2 including the electrode portion 3.

<プローブ電極>
プローブ2の電極部3における導電面の構成の概念図を図1(b)および図3に示す。フレキシブルプリント基板(FPC)5は表面(第1面)P1を規定するガードパターンG1(第1導電層C1)と裏面(第2面)P2を規定するガードパターンG2(第3導電層C3)と2つのガードパターンに挟まれた信号パターンEs(第2導電層C2)を有する。信号パターンEsは各電極Eiに電気的に独立に接続された各電極信号パターンEsiの集合体である。また、導電層間には図示しない絶縁層が配置される。図1(b)においては便宜上電極Eiを円形としているが、楕円、長円等任意の形状でよい。
<Probe electrode>
A conceptual diagram of the configuration of the conductive surface of the electrode portion 3 of the probe 2 is shown in FIGS. The flexible printed circuit (FPC) 5 has a guard pattern G1 (first conductive layer C1) defining a front surface (first surface) P1 and a guard pattern G2 (third conductive layer C3) defining a back surface (second surface) P2. It has a signal pattern Es (second conductive layer C2) sandwiched between two guard patterns. The signal pattern Es is a group of electrode signal patterns Esi electrically connected to the electrodes Ei independently. Further, an insulating layer (not shown) is arranged between the conductive layers. In FIG. 1B, the electrode Ei has a circular shape for convenience, but may have an arbitrary shape such as an ellipse or an ellipse.

図3を参照すると、電極部3においては第1導電層C1に電極パターンE1が形成され、周辺を取り囲むように形成されたガードパターンG1との間には絶縁体としてリング状のギャップgp1が形成されているため電気的に接続されていない。第3導電層C3には電極パターンE2が形成され、周辺を取り囲むように形成されたガードパターンG2との間にはリング状のギャップgp2が形成されており電気的に接続されていない。電極パターンE1と電極パターンE2とはXY面内の同じ位置に形成され1つの電極対を構成する。 Referring to FIG. 3, in the electrode part 3, an electrode pattern E1 is formed on the first conductive layer C1, and a ring-shaped gap gp1 is formed as an insulator between the electrode pattern E1 and the guard pattern G1 formed so as to surround the periphery. Is not electrically connected. An electrode pattern E2 is formed on the third conductive layer C3, and a ring-shaped gap gp2 is formed between the electrode pattern E2 and the guard pattern G2 formed so as to surround the periphery thereof, and is not electrically connected. The electrode pattern E1 and the electrode pattern E2 are formed at the same position in the XY plane to form one electrode pair.

第2導電層C2には電極対に対応する位置にガードパターンGeが形成され、ビアホールGb1、Gb2を介してガードパターンG1,G2に電気的に接続される。一方、電極パターンE1はビアホールEb1を介して第2導電層C2の対応する信号パターンEs1に接続され、電極パターンE2はビアホールEb2を介して対応する信号パターンEs2に接続される。第2導電層C2においてビアホールEb1,Eb2とガードパターンGeとの間にはギャップが形成されている。電極対は電極部3に複数形成され各電極Eiは信号パターンEsiを介して対応する電圧クランプアンプVCAiに接続される。 A guard pattern Ge is formed on the second conductive layer C2 at a position corresponding to the electrode pair, and is electrically connected to the guard patterns G1 and G2 via the via holes Gb1 and Gb2. On the other hand, the electrode pattern E1 is connected to the corresponding signal pattern Es1 of the second conductive layer C2 via the via hole Eb1, and the electrode pattern E2 is connected to the corresponding signal pattern Es2 via the via hole Eb2. A gap is formed between the via holes Eb1 and Eb2 and the guard pattern Ge in the second conductive layer C2. A plurality of electrode pairs are formed in the electrode portion 3, and each electrode Ei is connected to the corresponding voltage clamp amplifier VCAi via the signal pattern Esi.

なお、ガードパターンG1,Ge,G2はすべての電極{Ei:i=1,2・・・n}(nは電極4の極数)に共通のパターンである。したがって、すべての電極Eiは後述するように同一の探査信号Vpに独立に電圧クランプされ、ガードパターンG1,Ge,G2も同時に探査信号Vpで駆動されるため、電極全体が常に同一の電位となっている。すべての電極Eiおよびガードパターンは電気的に独立であるため仮想的な短絡状態となっており現実に短絡しているわけではない。そのため3層構造でも高精度で静電容量の計測が可能となる。さらに、各電極Eiは独立に電圧クランプされるため、各クランプ電流を同時に計測して同時に電気容量を取得することも可能である。なお、図2の実施形態では8対の電極対、すなわち電極数n=16として説明する。 The guard patterns G1, Ge, G2 are common to all the electrodes {Ei:i=1, 2...n} (n is the number of poles of the electrode 4). Therefore, since all the electrodes Ei are independently voltage-clamped to the same search signal Vp and the guard patterns G1, Ge, and G2 are simultaneously driven by the search signal Vp as described later, the entire electrodes are always at the same potential. ing. Since all the electrodes Ei and the guard pattern are electrically independent, they are in a virtual short-circuit state and are not actually short-circuited. Therefore, even with the three-layer structure, the capacitance can be measured with high accuracy. Furthermore, since each electrode Ei is independently voltage-clamped, it is also possible to simultaneously measure each clamp current and simultaneously obtain the electric capacitance. In the embodiment of FIG. 2, eight electrode pairs, that is, the number of electrodes n=16 will be described.

<等電位駆動制御>
図4に制御部10のコントロール回路の概念図を示す。本発明におけるガード電位および電極の制御は独自の等電位駆動法を採用する。探査信号発生器SGは基準探査信号Spとして正弦波を発生し、その振幅はマイクロコントローラMCにより制御される。探査信号SpはドライバAMPを介してガード信号VpとしてガードパターンG1,Ge,G2に印加される。
<Equipotential drive control>
FIG. 4 shows a conceptual diagram of the control circuit of the control unit 10. The control of the guard potential and the electrodes in the present invention adopts a unique equipotential driving method. The search signal generator SG generates a sine wave as the reference search signal Sp, the amplitude of which is controlled by the microcontroller MC. The search signal Sp is applied to the guard patterns G1, Ge, G2 as the guard signal Vp via the driver AMP.

電圧クランプアンプ(電圧クランプ回路)VCA1〜VCA16は信号パターンEs1〜Es16を介して16極の電極E1〜E16に独立に接続される。各電圧クランプアンプVCAiはドライバAMPの出力Vpを探査電圧として入力し、電極Eiを電圧Vpに電圧クランプする。探査電圧Vpは正弦波であるため電圧クランプアンプVCAiは可変電圧源である。 The voltage clamp amplifiers (voltage clamp circuits) VCA1 to VCA16 are independently connected to the 16-pole electrodes E1 to E16 via signal patterns Es1 to Es16. Each voltage clamp amplifier VCAi receives the output Vp of the driver AMP as a search voltage and clamps the electrode Ei to the voltage Vp. Since the exploration voltage Vp is a sine wave, the voltage clamp amplifier VCAi is a variable voltage source.

電圧クランプアンプVCAiはメインクランプアンプOPiaとしての差動増幅器(オペアンプ)を有し非反転入力端子(+)に探査電圧Vpが入力されると反転入力端子(−)に接続されたクランプ出力電圧Vfiaが探査電圧Vpと常に等しくなるように負帰還制御する。また、メインクランプアンプOPiaの出力端子と反転入力端子の間にはクランプ電流Isiを検出する抵抗器(クランプ電流検出抵抗)Rsiaが接続され、抵抗器Rsiaの両端電圧から電極Eiが電圧クランプされているときのクランプ電流(変位電流)を検出することができる。 The voltage clamp amplifier VCAi has a differential amplifier (op amp) as the main clamp amplifier OPia, and when the exploration voltage Vp is input to the non-inverting input terminal (+), the clamp output voltage Vfia connected to the inverting input terminal (−). The negative feedback control is performed so that the voltage is always equal to the search voltage Vp. Further, a resistor (clamp current detection resistor) Rsia for detecting the clamp current Isi is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the main clamp amplifier OPia, and the electrode Ei is voltage clamped from the voltage across the resistor Rsia. It is possible to detect the clamp current (displacement current) when it is present.

抵抗器Rsiaの両端電圧ΔVは切り換えスイッチSW1およびSW2を介して差動増幅器INAで増幅され、クランプ電流Iei=ΔV/Rsiaを検出することができる。 The voltage ΔV across the resistor Rsia is amplified by the differential amplifier INA via the changeover switches SW1 and SW2, and the clamp current Iei=ΔV/Rsia can be detected.

メインクランプアンプOPiaを構成する差動増幅器はわずかな入力容量、バイアス電流等をもち温度特性をもつ上に特性のばらつきもある。探査対象の静電容量は一般にpF程度以下であるため差動増幅器の特性のばらつきは大きな測定誤差となりうる。そのため特性のそろった差動増幅器を参照クランプアンプOPibとして採用し探査電流以外の誤差要素を補償する構成としている。 The differential amplifier that constitutes the main clamp amplifier OPia has a slight input capacitance, bias current, etc., has temperature characteristics, and has characteristic variations. Since the capacitance to be probed is generally about pF or less, variations in the characteristics of the differential amplifier can cause a large measurement error. Therefore, a differential amplifier with uniform characteristics is adopted as the reference clamp amplifier OPib to compensate for error elements other than the search current.

より詳細には、電圧クランプアンプVCAiはメイククランプアンプOPiaとともに参照クランプアンプOPibを有する。参照クランプアンプOPibはメイククランプアンプOPiaと同じ外部回路を有し、非反転入力端子(+)に探査電圧Vpが入力され反転入力端子(−)に接続されたクランプ出力電圧Vf1bは常にVpと等しくなるように負帰還制御する。クランプ出力電圧Vfibが電極Eiに接続されずに無負荷であることだけがメインクランプアンプOPiaと異なる。 More specifically, the voltage clamp amplifier VCAi has a reference clamp amplifier OPib as well as a make clamp amplifier OPia. The reference clamp amplifier OPib has the same external circuit as the make clamp amplifier OPia, and the search voltage Vp is input to the non-inverting input terminal (+) and the clamp output voltage Vf1b connected to the inverting input terminal (−) is always equal to Vp. Negative feedback control is performed so that It differs from the main clamp amplifier OPia only in that the clamp output voltage Vfib is not connected to the electrode Ei and has no load.

参照クランプアンプOPibの出力端子と反転入力端子の間には無負荷時のクランプ電流Iriを検出する抵抗器(参照電流検出抵抗)Rsibが接続され、抵抗器Rsibの両端電圧から無負荷で電圧クランプされているときの参照クランプ電流Iriを検出することができる。参照クランプ電流Iriは負荷としての電極に流れる電流以外の電流成分を反映している。一方、2つの演算増幅器のクランプ出力電圧Vfia、Vfibは電圧クランプ時には実質的に探査電圧Vpに等しい。したがって、メインクランプアンプOPiaで検出された探査電圧Voiaには電極Eiに流れる正味のクランプ電流Isiに差動増幅器に由来するバイアス電流Iriが付加されたものと解釈することができる。そこでメインクランプアンプOPiaと参照クランプアンプOPibの出力電圧Voia、Voibの差動演算をすることにより正味のクランプ電流Ieiを取得することができる。 A resistor (reference current detection resistor) Rsib that detects a clamp current Iri under no load is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the reference clamp amplifier OPib, and a voltage clamp is applied from the voltage across the resistor Rsib without load. It is possible to detect the reference clamp current Iri during the operation. The reference clamp current Iri reflects current components other than the current flowing through the electrode as a load. On the other hand, the clamp output voltages Vfia and Vfib of the two operational amplifiers are substantially equal to the search voltage Vp when the voltage is clamped. Therefore, the probe voltage Voia detected by the main clamp amplifier OPia can be interpreted as the net clamp current Isi flowing through the electrode Ei to which the bias current Iri derived from the differential amplifier is added. Therefore, the net clamp current Iei can be obtained by performing a differential operation on the output voltages Voia and Voib of the main clamp amplifier OPia and the reference clamp amplifier OPib.

なお、電圧クランプアンプVCAiを構成する2つの差動増幅器OPia、OPibは特性のそろったオペアンプが1パッケージに収められたデュアルタイプのオペアンプであることが好ましい。さらに、差動増幅器の入力を保護するために、各非反転入力端子とクランプ出力端子Vfia、Vfibの間に抵抗器を挿入してもよい。 The two differential amplifiers OPia and OPib forming the voltage clamp amplifier VCAi are preferably dual-type operational amplifiers in which operational amplifiers having uniform characteristics are contained in one package. Further, in order to protect the input of the differential amplifier, a resistor may be inserted between each non-inverting input terminal and the clamp output terminals Vfia and Vfib.

図4の実施形態では、マイクロコントローラMCの制御により切り換えスイッチ(アナログスイッチ)SW1およびSW2で測定対象の電極Eiを順次選択し、差動増幅器(計装アンプ)INAにより出力電圧Voia、Voibの差動演算を行うことで高精度にクランプ電流を検出する(電流検出回路)。 In the embodiment of FIG. 4, the electrodes Ei to be measured are sequentially selected by the changeover switches (analog switches) SW1 and SW2 under the control of the microcontroller MC, and the difference between the output voltages Voia and Voib is selected by the differential amplifier (instrumentation amplifier) INA. The clamp current is detected with high accuracy by performing dynamic calculation (current detection circuit).

本発明は各電気要素を独立に同電位で駆動する独自の等電位駆動法を採用するため原理的には複数の電極におけるクランプ電流を同時に測定することができるが、本実施形態では1つの差動増幅器INAと切り換えスイッチを組み合わせて時分割で各電極の静電容量を測定する。全ての電極に共通の1つの処理系を使用することにより安定した処理が期待されさらに本体21をコンパクトに構成することができる。また、本実施形態ではプローブ2の電極4は6対、12極としたがさらなる多極化も可能である。
<適応探査信号のフィードバック制御と電荷クランプ法>
電極Eiは平面電極であり対向する被測定面との間に仮想コンデンサ(容量C)を形成するため、後述するように静電容量を測定することで極板間の距離dを求めることができる。
Since the present invention employs a unique equipotential driving method in which each electric element is independently driven at the same potential, the clamp currents in a plurality of electrodes can be simultaneously measured in principle, but in the present embodiment, one difference is obtained. By combining the dynamic amplifier INA and the changeover switch, the capacitance of each electrode is measured in a time division manner. By using one processing system common to all the electrodes, stable processing is expected, and the main body 21 can be made compact. Further, in the present embodiment, the electrodes 4 of the probe 2 have 6 pairs and 12 poles, but it is possible to further increase the number of poles.
<Feedback control of adaptive search signal and charge clamp method>
Since the electrode Ei is a flat electrode and forms a virtual capacitor (capacitance C) between the electrode and the surface to be measured, the distance d between the electrode plates can be obtained by measuring the electrostatic capacitance as described later. ..

電極Eiと導電性表面S1,S2との間に電位差vが生じるとそれに応じて電荷q=±Cvがそれぞれの表面に生じる。電位差として交流を印加した場合には電極には変位電流i=Cδv/δtが流れる。電導性表面には電極と同じ領域に反対の極性の電荷が現れるので電極と導電性表面との距離をdとすればC=εS/dの関係がある(εは間隙空間の誘電率)。したがって、変位電流の測定から仮想コンデンサの静電容量が求まれば距離d=εS/Cを取得することができる。なお、本実施形態では電位差vは上述したように電圧クランプを用いて探査信号Vpに正確に一致するように制御され、探査信号はVp(t)=Asin(2πft)の形で表現される。 When a potential difference v occurs between the electrode Ei and the conductive surfaces S1 and S2, a charge q=±Cv is generated on each surface accordingly. When an alternating current is applied as a potential difference, a displacement current i=Cδv/δt flows through the electrodes. Since charges of opposite polarities appear in the same area as the electrodes on the conductive surface, there is a relationship of C=εS/d (ε is the permittivity of the gap space), where d is the distance between the electrodes and the conductive surface. Therefore, if the capacitance of the virtual capacitor is obtained from the measurement of the displacement current, the distance d=εS/C can be obtained. In the present embodiment, the potential difference v is controlled to exactly match the search signal Vp by using the voltage clamp as described above, and the search signal is expressed in the form of Vp(t)=Asin(2πft).

探査信号の印加に対するクランプ電流は測定対象の電気容量Cが小さいほど振幅が小さくなり検出の精度が下がる。そこで、本実施形態ではクランプ電流の大きさが所定の値の近傍を維持するようにマイクロコントローラMCが探査信号の振幅Aを適応させて測定精度を高める。電流の大きさを一定にするのはコンデンサの静電容量が変化しても蓄積される電荷(変位電流の積分値)を一定にすることに対応する。具体的には、クランプ電流の振幅が小さくなれば等電位駆動の共通電位としての探査信号Vpの振幅を増加し、クランプ電流の振幅が大きくなれば探査信号Vpの振幅を減少させるようにマイクロコントローラMCが制御する。 The clamp current with respect to the application of the exploration signal has a smaller amplitude and a lower detection accuracy as the electric capacitance C of the measurement target is smaller. Therefore, in the present embodiment, the microcontroller MC adapts the amplitude A of the search signal so as to maintain the magnitude of the clamp current near a predetermined value, thereby improving the measurement accuracy. Making the magnitude of the current constant corresponds to making the accumulated charge (integrated value of the displacement current) constant even if the capacitance of the capacitor changes. Specifically, when the amplitude of the clamp current is small, the amplitude of the search signal Vp as the common potential for equipotential driving is increased, and when the amplitude of the clamp current is large, the amplitude of the search signal Vp is decreased. Controlled by MC.

さらに好ましくは、電圧の振幅係数Aに比例するクランプ電流の振幅を一定とするように探査信号電圧Vpをフィードバック制御することにより、適応探査信号Vpの振幅Aから静電容量を求めることができる。これは測定対象と電極で較正される仮想コンデンサに所定の電荷を充電するために必要な探査信号Vpの大きさをフィードバック制御するもので、電極の電圧クランプ制御および等電位駆動制御を前提とする本発明独自の電荷クランプ法である。 More preferably, the capacitance can be obtained from the amplitude A of the adaptive search signal Vp by feedback controlling the search signal voltage Vp so that the amplitude of the clamp current proportional to the amplitude coefficient A of the voltage is constant. This is to perform feedback control of the magnitude of the search signal Vp required to charge the virtual capacitor calibrated by the measurement target and the electrode with a predetermined charge, and is premised on the voltage clamp control of the electrode and the equipotential drive control. This is a charge clamp method unique to the present invention.

電荷クランプ法においては、既知の較正された基準静電容量C0に対する探査信号電圧Vpの振幅をA0としたときに、任意の静電容量Cに対する適応探査信号電圧Vpの振幅がAであるとき、C/C0=A/A0の関係が成立する。振幅Aの情報は探査信号Vpを整流、平滑(積分)して直接取得することができる。したがって、フィードバック制御による適応探査信号電圧Vpの振幅Aを測定するだけで静電容量Cを取得することができる。 In the charge clamp method, when the amplitude of the search signal voltage Vp with respect to a known calibrated reference capacitance C0 is A0, when the amplitude of the adaptive search signal voltage Vp with respect to an arbitrary capacitance C is A, The relationship of C/C0=A/A0 is established. The information on the amplitude A can be directly obtained by rectifying and smoothing (integrating) the search signal Vp. Therefore, the capacitance C can be acquired only by measuring the amplitude A of the adaptive search signal voltage Vp by the feedback control.

本実施形態では探査信号Vpを正弦波としたがこれに限定されるものではなく任意の波形を用いることができる。この場合にも静電容量Cに所定の電荷を充電するときの探査信号電圧Vpの大きさから静電容量を求めることができる。 In the present embodiment, the search signal Vp is a sine wave, but it is not limited to this and any waveform can be used. Also in this case, the capacitance can be obtained from the magnitude of the search signal voltage Vp when the capacitance C is charged with a predetermined charge.

本発明によるプローブにおける電極部の構成、電圧クランプ制御、等電位駆動制御および電荷クランプ制御により、ガード電極およびすべての電極は常に探査信号Vpと同一電圧で駆動されている。電圧クランプ動作中において、クランプ電流を検出している電極の電位が探査信号にいわば固定されているため、高安定で高精度の隙間測定が可能である。また、差動増幅器INAを複数設置することで複数の電極のクランプ電流を同時に取得することも可能である。 The guard electrode and all electrodes are always driven at the same voltage as the search signal Vp by the configuration of the electrode section, voltage clamp control, equipotential drive control and charge clamp control in the probe according to the present invention. During the voltage clamp operation, the potential of the electrode detecting the clamp current is fixed to the search signal, so that highly stable and highly accurate gap measurement is possible. Further, it is possible to simultaneously obtain the clamp currents of a plurality of electrodes by installing a plurality of differential amplifiers INA.

<隙間測定>
以下に本発明の隙間センサを用いた隙間測定方法について説明する。
<Gap measurement>
A gap measuring method using the gap sensor of the present invention will be described below.

プローブ2における電極対アレイ4を構成する各電極対Eiは基板5の表面P1と裏面P2の同じ位置に配置され信号線Esを介してそれぞれ独立に本体21に内蔵された制御部10に接続される。 Each electrode pair Ei forming the electrode pair array 4 in the probe 2 is arranged at the same position on the front surface P1 and the back surface P2 of the substrate 5 and independently connected to the control unit 10 incorporated in the main body 21 via the signal line Es. It

図5(a)に示すようにすきまGにプローブ2を挿入して各電極対により各位置での静電容量の検出が行われ、上側の電極E1と表面S1との間の静電容量が取得される。引き続き上側の電極E1と同じ位置の下側の電極E2と表面S2との間の静電容量が取得される。これらの静電容量データから、上側の電極E1と表面S1との間の距離d1と下側の電極E2と表面S2との間の距離d2が取得できれば対向する面S1、S2の間の隙間dを求めることができる。全ての電極対について順次同様の測定を行なうことで電極部周辺における隙間dの2次元分布を取得することができる。隙間センサ1で取得された隙間データは通信手段31を介してタブレットPC等のコントローラ30に送信されデータ処理される。 As shown in FIG. 5A, the probe 2 is inserted into the clearance G, and the capacitance at each position is detected by each electrode pair, and the capacitance between the upper electrode E1 and the surface S1 is To be acquired. Subsequently, the capacitance between the lower electrode E2 at the same position as the upper electrode E1 and the surface S2 is acquired. If the distance d1 between the upper electrode E1 and the surface S1 and the distance d2 between the lower electrode E2 and the surface S2 can be acquired from these capacitance data, the gap d between the facing surfaces S1 and S2 can be obtained. Can be asked. The two-dimensional distribution of the gap d around the electrode portion can be obtained by sequentially performing the same measurement for all the electrode pairs. The clearance data acquired by the clearance sensor 1 is transmitted to the controller 30 such as a tablet PC via the communication means 31 and processed there.

電極対4はプローブ2に離散的に配置されるが複数の電極対を備えるため、電極対の位置および隙間データに基づいて近隣の電極対間の任意の位置におけるデータを算出することができる。すわなち、隣接する3つの電極対4の隙間データを補完することにより当該電極群に囲まれた領域の任意の位置における隙間データを算出することができる。したがって、本実施形態により隙間センサが小型化され、広い隙間空間を連続的に測定して3D表示することもできる。なお、プローブ2には主軸Xc方向にスケール28が設けられているため測定電極Eiの位置(奥行)rを容易に確認することができる。 The electrode pairs 4 are discretely arranged on the probe 2, but have a plurality of electrode pairs, so that data at any position between neighboring electrode pairs can be calculated based on the position of the electrode pair and the gap data. That is, by supplementing the gap data of the three adjacent electrode pairs 4, the gap data at any position in the area surrounded by the electrode group can be calculated. Therefore, the gap sensor can be downsized according to the present embodiment, and a wide gap space can be continuously measured and displayed in 3D. Since the probe 2 is provided with the scale 28 in the main axis Xc direction, the position (depth) r of the measurement electrode Ei can be easily confirmed.

隙間測定の測定対象となる部材はアルミ合金、カーボンファイバー等の導電性材料からなることを想定するが、非導電性材料であったとしても表面かその近傍に導電性材料が表面に沿ってコーティングまたは被覆されているものであれば隙間測定が可能である。 It is assumed that the member to be measured in the gap measurement is made of a conductive material such as aluminum alloy or carbon fiber, but even if it is a non-conductive material, the conductive material is coated along the surface at or near the surface. Alternatively, if it is covered, the gap can be measured.

隙間測定においては電極面が測定面S1,S2と平行であることが好ましく、図6(a)に示すように磁石25を用いてプローブ2を測定面S1に付着させてもよい。プローブ2の表面には磁性フィラー膜が形成されているため、測定面S1側にプローブ2が吸着されるように磁石25を設置することでより安定した隙間測定を行うことができる。 In the gap measurement, the electrode surface is preferably parallel to the measurement surfaces S1 and S2, and the probe 2 may be attached to the measurement surface S1 by using the magnet 25 as shown in FIG. 6A. Since the magnetic filler film is formed on the surface of the probe 2, a more stable gap measurement can be performed by installing the magnet 25 so that the probe 2 is attracted to the measurement surface S1 side.

本発明により独自の電極構造を採用し静電容量測定に等電位駆動法および電荷クランプ制御を用いることで隙間を正確かつ再現性よく測定することができる。なお、本発明にかかる等電位駆動法は探査信号を共通の電位とする方法であるため、本実施例のような3層基板構造でなくても複数の電極と複数のガードパターンを駆動して同様の効果を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to measure the gap accurately and with good reproducibility by adopting the unique electrode structure and using the equipotential driving method and the charge clamp control for the capacitance measurement. Since the equipotential driving method according to the present invention is a method in which the exploration signal has a common potential, it is possible to drive a plurality of electrodes and a plurality of guard patterns without using the three-layer substrate structure as in the present embodiment. The same effect can be obtained.

隙間測定を行うにあたって隙間センサ1の較正を行う。較正にはアルミ平板で構成され所定の隙間d0を有する基準サンプルを用いる。隙間はたとえば0.5mm、1mm、2mm、3mmである。金属平板は隙間センサ1と共通の接地が施される。基準サンプルの隙間Gにプローブ2を挿入して隙間d0を測定して較正する。較正においては上記基準振幅A0の修正等を行う。 When performing the gap measurement, the gap sensor 1 is calibrated. A standard sample made of an aluminum plate and having a predetermined gap d0 is used for the calibration. The gap is, for example, 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm. The metal flat plate is grounded in common with the gap sensor 1. The probe 2 is inserted into the gap G of the reference sample, and the gap d0 is measured and calibrated. In the calibration, the reference amplitude A0 is corrected.

<他の実施形態>
図7および図8はプローブ2の別の実施形態を示すものである。電極部の構造は図2の実施形態のプローブ2と同じであるが、電極対4a〜4eはプローブ2の主軸Xcに沿って2列の千鳥配置とされ、16極の円形の電極を備える。プローブ2はY軸方向のまわりに回動可能な回動軸を有するプローブ支持部(コネクタを含む)20を介して本体21に固定される。上側のワーク等の部材が板部材である場合には、本体21を板部材の上面に設置してプローブ2を底面21Bに折りたたむような状態で隙間Gに挿入する。プローブ支持部20は板部材の厚さに応じて上下動自在である。また、図6(b)に示すように、本体21の底部には磁石25が内蔵されているため、プローブ2のフィラー膜の磁性を利用してプローブ2を表面S1に吸着させることができる。
<Other Embodiments>
7 and 8 show another embodiment of the probe 2. The structure of the electrode portion is the same as that of the probe 2 of the embodiment of FIG. 2, but the electrode pairs 4a to 4e are arranged in two rows in a staggered arrangement along the main axis Xc of the probe 2 and are provided with 16-pole circular electrodes. The probe 2 is fixed to the main body 21 via a probe support portion (including a connector) 20 having a rotation shaft rotatable about the Y-axis direction. When the member such as the work on the upper side is a plate member, the main body 21 is installed on the upper surface of the plate member and the probe 2 is inserted into the gap G in a state of being folded on the bottom surface 21B. The probe support portion 20 is vertically movable according to the thickness of the plate member. Further, as shown in FIG. 6B, since the magnet 25 is built in the bottom of the main body 21, the magnetism of the filler film of the probe 2 can be used to attract the probe 2 to the surface S1.

隙間測定はすでに説明したように、探査信号Vpに基づいてガード電位およびすべての電極の電位を同一とした上で電極対4の上下の電極における静電容量を測定する電荷クランプ制御を採用し、隙間dデータを取得する。隙間測定は全ての電極対4に対して順次実施される。 As described above, the gap measurement adopts the charge clamp control in which the guard potential and the potentials of all the electrodes are made the same on the basis of the search signal Vp and the capacitances at the upper and lower electrodes of the electrode pair 4 are measured. Acquire the gap d data. The gap measurement is sequentially performed for all the electrode pairs 4.

本体底面21BにはY方向の移動距離(相対位置)を計測する位置検出センサとしてのロータリエンコーダ23と、Y方向の基準位置を確認するための基準位置検出センサ24が配置されている。板部材の上面には基準位置センサ24が検出するバーコード状のマーカーがY方向に等間隔に配置され、基準位置検出センサ24がマーカ−からの反射光を読み取って基準位置を検出する。なお、本実施形態ではプローブ2は本体21の底面21Bに平行になるほどに回動したが、たとえばYZ面方向に延在する隙間に対してプローブ2をZ軸方向に平行になるように回動すれば隙間計測が可能である。 A rotary encoder 23 as a position detecting sensor for measuring a moving distance (relative position) in the Y direction and a reference position detecting sensor 24 for confirming a reference position in the Y direction are arranged on the bottom surface 21B of the main body. Bar code-shaped markers detected by the reference position sensor 24 are arranged on the upper surface of the plate member at equal intervals in the Y direction, and the reference position detection sensor 24 reads the reflected light from the marker to detect the reference position. In the present embodiment, the probe 2 is rotated so as to be parallel to the bottom surface 21B of the main body 21, but the probe 2 is rotated so as to be parallel to the Z axis direction with respect to the gap extending in the YZ plane direction, for example. If this is done, gap measurement is possible.

本発明にかかるプローブを三層構造として各電極のガードを共通化したことにより薄く構成することができ、より狭い隙間の測定を行うことができる。またガード電位を共通化したことで配線の数を減らすことができ多くの電極をプローブに配置することができる。さらに等電位駆動制御を適用したことですべての電極およびガード電位が等電位に駆動されるので、安定かつ再現性の高い測定が可能となる。さらに、電荷クランプ法を採用することで探査信号の大きさから静電容量を測定することができる。 Since the probe according to the present invention has a three-layer structure and the guards of the respective electrodes are commonly used, the probe can be made thin and a narrower gap can be measured. Further, since the guard potential is shared, the number of wirings can be reduced and many electrodes can be arranged on the probe. Further, by applying the equipotential drive control, all the electrodes and the guard potential are driven to the equipotential, which enables stable and highly reproducible measurement. Furthermore, by adopting the charge clamp method, the capacitance can be measured from the magnitude of the search signal.

1 隙間センサ
2 プローブ
3 電極部, Xc 電極部主軸
4 電極対アレイ
5 多層基板(フレキシブル基板)
C1〜C3 導体パターン層(配線層)
G1,G2,Ge ガードパターン
E1,E2 電極
Gb1,Gb2,Eb1,Eb2 ビアホール
S1,S2 板部材(ワーク)表面
G 隙間
10 制御部
SG 信号発生器、 AMP ガード駆動アンプ
VCA1,VCA2,VCAn 電圧クランプアンプ
INA 差動増幅器(計装アンプ)
SW1,SW2 選択スイッチ
MC マイクロコントローラ
20 プローブ支持部(コネクタ)
21 本体・測定台車部(アンプ、通信)
21B 台車底面(磁気吸引部)
23 位置検出センサ(ロータリエンコーダ)
24 基準位置検出センサ
25 磁気吸引部(磁石)
28 スケール
30 コントローラ(タブレットPC)
31 通信手段(有線、無線)
1 Gap sensor 2 Probe 3 Electrode part, Xc Electrode part spindle 4 Electrode pair array 5 Multilayer substrate (flexible substrate)
C1 to C3 conductor pattern layer (wiring layer)
G1, G2, Ge Guard pattern E1, E2 Electrode Gb1, Gb2, Eb1, Eb2 Via hole S1, S2 Plate member (workpiece) surface G Gap 10 Control unit SG Signal generator, AMP Guard drive amplifier VCA1, VCA2, VCAn Voltage clamp amplifier INA differential amplifier (instrumentation amplifier)
SW1, SW2 selection switch MC Micro controller 20 Probe support (connector)
21 Main unit/measurement trolley (amplifier, communication)
21B Truck bottom (Magnetic suction part)
23 Position detection sensor (rotary encoder)
24 Reference position detection sensor 25 Magnetic attraction unit (magnet)
28 Scale 30 controller (tablet PC)
31 Communication means (wired, wireless)

Claims (10)

相互に対向する導電性を有する第1の部材の表面と導電性を有する第2の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間センサであって、
主軸方向に沿って延在するプローブおよび本体を具備し、
前記プローブは基端部が前記本体に接続され先端側に複数の電極が設けられ、
前記プローブは第1導電層、第2導電層、第3導電層が積層された多層基板構造を有し、
前記第1導電層は前記プローブの第1の面を規定し、第1電極群が配列して形成され、第1電極群と電気的に非接続な第1ガード層が形成され、
前記第3導電層は前記プローブの第2の面を規定し、前記第1電極群に相応する位置に第2電極群が配列して形成され、第2電極群と電気的に非接続な第2ガード層が形成され、
前記第2導電層は前記第1導電層と第3導電層の間に配置され、前記第1電極群および第2電極群に相応する位置にガード電極が形成され、ガード電極と電気的に非接続な信号パターンが形成され、信号パターンは前記第1電極群および第2電極群の各電極と電気的に接続され、
前記本体の制御部は、
前記第1ガード層、ガード電極、および第2ガード層に探査信号を印加し、
前記第1電極群および第2電極群の各電極を前記信号パターンを介して前記探査信号で電圧クランプし、
電圧クランプによるクランプ電流を検出することにより各電極位置における隙間を測定することを特徴とする隙間センサ。
A gap sensor for detecting a gap between a surface of a first member having conductivity and a surface of a second member having conductivity, which face each other, by a capacitance measuring method,
A probe and a body extending along the main axis,
The probe is provided with a plurality of electrodes on the tip side, the base end of which is connected to the main body,
The probe has a multilayer substrate structure in which a first conductive layer, a second conductive layer, and a third conductive layer are stacked,
The first conductive layer defines a first surface of the probe, a first electrode group is formed in an array, a first guard layer electrically disconnected from the first electrode group is formed,
The third conductive layer defines the second surface of the probe, is formed by arranging the second electrode group at a position corresponding to the first electrode group, and is electrically disconnected from the second electrode group. 2 guard layers are formed,
The second conductive layer is disposed between the first conductive layer and the third conductive layer, a guard electrode is formed at a position corresponding to the first electrode group and the second electrode group, and is electrically non-contact with the guard electrode. A connected signal pattern is formed, and the signal pattern is electrically connected to each electrode of the first electrode group and the second electrode group,
The control unit of the main body is
Applying a search signal to the first guard layer, the guard electrode, and the second guard layer,
Voltage clamping each electrode of the first electrode group and the second electrode group with the search signal via the signal pattern,
A gap sensor characterized by measuring a gap at each electrode position by detecting a clamp current by a voltage clamp.
前記制御部は、
探査信号発生器と、
前記第1ガード層、ガード電極、および第2ガード層に探査信号の電圧を印加する駆動回路と、
前記第1電極群および第2電極群の各電極を独立に駆動して前記探査信号の電圧にクランプする電圧クランプ回路と、
前記各電極のクランプ電流を検出する電流検出回路とを備え、
前記検出された電流から電気容量を算出して隙間を測定することを特徴とする請求項1記載の隙間センサ。
The control unit is
An exploration signal generator,
A drive circuit that applies a voltage of a search signal to the first guard layer, the guard electrode, and the second guard layer;
A voltage clamp circuit that independently drives each electrode of the first electrode group and the second electrode group to clamp the voltage of the search signal;
A current detection circuit for detecting the clamp current of each electrode,
The gap sensor according to claim 1, wherein the gap is measured by calculating an electric capacity from the detected current.
電圧クランプ回路は、前記探査信号と各電極の電圧の誤差をフィードバックしてクランプ制御し、
前記電圧クランプ回路の駆動出力と各電極との間に接続されたクランプ電流検出抵抗を介して供給される電流がクランプ電流として検出されることを特徴とする請求項1記載の隙間センサ。
The voltage clamp circuit feeds back the error between the search signal and the voltage of each electrode to perform clamp control,
The gap sensor according to claim 1, wherein a current supplied via a clamp current detection resistor connected between the drive output of the voltage clamp circuit and each electrode is detected as a clamp current.
前記電圧クランプ回路は、
前記探査信号に基づいて電圧クランプ制御するクランプアンプの駆動出力と負帰還入力との間にクランプ電流検出抵抗が接続されクランプ電流検出抵抗の負帰還入力側の一端が各電極に接続され、
前記各電極に接続されずに前記探査信号に基づいて電圧クランプ制御する参照クランプアンプの駆動出力と負帰還入力との間に参照電流検出抵抗が接続され、
前記電流検出回路は、前記クランプアンプの駆動出力と参照クランプアンプの駆動出力との差を演算する差動増幅器を備えることと
を特徴とする請求項2記載の隙間センサ。
The voltage clamp circuit is
A clamp current detection resistor is connected between the drive output of the clamp amplifier for performing voltage clamp control based on the search signal and the negative feedback input, and one end of the clamp current detection resistor on the negative feedback input side is connected to each electrode,
A reference current detection resistor is connected between the drive output and the negative feedback input of the reference clamp amplifier that controls the voltage clamp based on the search signal without being connected to the electrodes.
The gap sensor according to claim 2, wherein the current detection circuit includes a differential amplifier that calculates a difference between the drive output of the clamp amplifier and the drive output of the reference clamp amplifier.
前記検出されたクランプ電流の大きさを一定とするように前記探査信号の大きさをフィードバック制御し、前記探査信号の大きさから静電容量を算出することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の隙間センサ。 The feedback control of the magnitude of the search signal is performed so that the magnitude of the detected clamp current is constant, and the capacitance is calculated from the magnitude of the search signal. The gap sensor according to claim 1. 前記第1電極群および第2電極群の各電極に関連する前記クランプアンプおよび参照クランプアンプは1つのパッケージに収納されることを特徴とする請求項4記載の隙間センサ。 The gap sensor according to claim 4, wherein the clamp amplifier and the reference clamp amplifier associated with each electrode of the first electrode group and the second electrode group are housed in one package. 相互に対向する導電性を有する第1の部材の表面と導電性を有する第2の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間測定方法であって、プローブ両面の対応する位置に複数の電極対とガード層が形成され、
探査信号を発生することと、
前記ガード層に前記探査信号を印加することと、
前記複数の電極対の各電極をそれぞれ独立に前記探査信号に電圧クランプすることと、
前記各電極のクランプ電流を測定することにより各電極位置における静電容量を検出することと、
前記静電容量に基づいて前記各電極位置における隙間を測定することと
を特徴とする隙間測定方法。
A gap measuring method for detecting a gap between a surface of a first member having conductivity and a surface of a second member having conductivity, which face each other by a capacitance measuring method. A plurality of electrode pairs and a guard layer are formed,
Generating an exploration signal,
Applying the probe signal to the guard layer;
Independently voltage-clamping each electrode of the plurality of electrode pairs to the probe signal;
Detecting the capacitance at each electrode position by measuring the clamp current of each electrode,
A gap measuring method comprising: measuring a gap at each electrode position based on the capacitance.
前記探査信号は正弦波であり、前記クランプ電流の大きさに相応して正弦波の振幅を可変することを特徴とする請求項7記載の隙間測定方法。 The gap measuring method according to claim 7, wherein the search signal is a sine wave, and the amplitude of the sine wave is varied according to the magnitude of the clamp current. 前記クランプ電流の大きさを一定とするように前記探査信号の振幅をフィードバック制御し、フィードバック制御されているときの前記探査信号の振幅から静電容量を求めることを特徴とする請求項7記載の隙間測定方法。 The amplitude of the search signal is feedback-controlled so that the magnitude of the clamp current is constant, and the capacitance is obtained from the amplitude of the search signal when the feedback control is performed. Gap measurement method. 隣接する電極対における隙間距離と電極間距離に基づいて電極間における任意の位置の隙間を補完することを特徴とする請求項8または9記載の隙間測定方法。 The gap measuring method according to claim 8 or 9, wherein a gap at an arbitrary position between the electrodes is complemented based on a gap distance between adjacent electrode pairs and a distance between the electrodes.
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